第五章 曲线运动 单元教学设计 (1)-2024-2025学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

本文围绕人教版高中物理必修二曲线运动单元展开，涵盖曲线运动方向、条件及平抛、圆周运动等核心知识。承接直线运动基础，为后续复杂运动学习奠基。通过实验探究、理论推导等环节，培养学生物理观念、科学思维、科学探究及科学态度与责任等核心素养。 该设计以核心问题引导探究，凸显创新性。特色教法助力学生提升思维能力，为教师提供清晰授课路径，有效突破教学难点，增强课堂互动性，促进学生知识体系构建与素养发展。

人教版高中物理必修第二册第五章 曲线运动单元教学设计 1 单元教学指导思想 单元教学设计是指以一个单元的学习内容为整体，基于一定目标进行知识结构、认知发展等规划而展开的系列教学活动．重点包括以下三方面：一是以大概念为核心，将大概念统领下的具体概念、原理等教学内容按照一定逻辑顺序组织成有一定结构的体系，并体现与前后单元内容的衔接；二是以知识为载体规划物理学认识方式、思想方法、跨学科概念等大思路发展的、可评估的教学活动；三是围绕大问题创设学习的大情境，实现在具体的物理情境中完成知识学习和素养发展的目标。 2 单元教学内容分析 相对直线运动，曲线运动是更为普遍的运动形式．高中物理中，曲线运动包括平抛运动和圆周运动两个典型的运动模型，以及用运动合成和分解的方法来研究曲线运动的思想，是丰富学生对运动形式多样性的认识，深化理解速度、加速度等概念，通过迁移创新学习新知，体会物理学研究方法，形成物理学研究思路的载体．也是运动与相互作用的认识进阶． 2.1 本单元知识结构 本单元教学内容包括人教版新教材必修二的第五章和第六章．核心概念是曲线运动，具体概念包括曲线运动的方向、平抛运动、圆周运动等。通过学习曲线运动的速度方向，认识曲线运动是速度变化的运动，即变速运动．通过对平抛运动和圆周运动两个典型的曲线运动模型的学习，促使体会物理学研究问题的基本思想和方法，促进学生科学探究思维的发展。 本单元丰富了学生对机械运动形式的认识，是直线运动的进阶，也是运动与相互作用观念的进阶． 首先探究一般曲线的速度方向和做曲线运动的条件，其次定量研究两种典型的曲线运动模型，渗透研究复杂运动的思想方法，最后用运动与相互作用观念进行因果解释，过渡到对一般圆周运动、离心运动等更加复杂的曲线运动的认识，同时又将曲线运动与直线运动统一到运动与相互作用这一核心概念中．本单元的知识结构如图 1 所示。 图1 曲线运动的知识结构图 2.2 本单元知识及教学价值 曲线运动是在直线运动、牛顿运动定律基础上的进阶学习．各物理量如位移、速度、加速度的定义方法与直线运动中的定义方法相同，力与加速度的关系都遵循牛顿第二定律．研究思路与研究直线运动一致，先确定描述运动的物理量—再选择典型的运动，探究各物理量之间的关系—最后对运动规律进行因果解释．但本章并不是直线运动研究思路的重复，本章不仅学习如何用直线运动过程中获取的知识与方法来 探究曲线运动的规律，学习用运动合成与分解处理平抛运动等复杂运动的思想方法，还学习位移、速度、加速度、力的作用效果在圆周运动中的具体表现。因此，本单元是深化学生的运动与相互作用观、促进学生感受物理思维的魅力的载体。 本单元的知识点及其教学价值分析见表1． 表1 本单元知识点及其教学价值 知识点 教学价值 如何研究曲线运动 研究思路：用研究直线运动的思路和方法 曲线运动的速度方向 发展学生观察、描述实验现象，表述实验结论的能力和理论推导能力，体会极限的思想 曲线运动的条件 发展实验归纳能力，用牛顿第二定律进行分析解释的能力 运动的合成与分解 体验研究复杂问题的思路：先建立模型，通过理论和实验结合，形成对运动的合成与分解的认识 探究平抛运动特点 思路（与研究直线运动相同）：记录位置随时间变化的信息，通过分析数据，得出规律 抛体运动的规律 矢量运算，先分解后合成，体会研究复杂运动的思想方法 圆周运动的描述（线速度、角速度、周期） 丰富对速度、加速度概念的认识，促进对速度、加速度的深层理解，体会物理学研究方法，由特殊到一般 向心力 体会研究新问题的思维路径：在实验基础上，先感性认识，再定性认识，最后定量认识，体会实验探究和理论探究的两种路径 向心加速度 从力的角度演绎推导与从加速度定义的角度理论推导相结合 生活中的圆周运动 牛顿第二定律的进阶，体现从特殊到一般的研究思想 3 学生学习情况分析 按照物理学科核心素养的维度，本单元的学情分析如下： 学生已经掌握了描述直线运动的概念，对位移、速度、加速度有了一定认识，掌握了直线运动规律，初步形成了运动与相互作用观念，能对直线运动问题进行因果解释，知道速度是描述运动状态的物理量，速度变化包括大小、方向的改变，知道速度变化一定是受到了力的作用．能根据动力学和运动学规律解决实际的直线运动问题． 学生初步建立了研究直线运动的思维路径，建立运动学模型一通过分析和推理，获得各物理量的关系—结合实际情境修正答案；具有等效替代的思想， 知道矢量可以合成和分解；具备初步的逻辑推理和分析能力，知道常见的论证方法，能使用证据表达运动学的观点；知道科学探究有实验和理论两条路径，两者相辅相成。 学生具备观察运动现象、从运动学或动力学角度提出问题的能力，具备设计简单实验研究运动学问题的能力，具备根据数据计算匀变速直线运动的加速度、计算力和加速度关系的能力，具备初步的理论推导和实验探究能力。 学生建立了从运动与相互作用角度描述和解释自然现象、实验现象的意识，并具有一定的经验。能够尊重实验事实，知道理论要经得起实践的检验，同时对实验现象和结论能从理论上进行解释或推导。 4 单元教学目标 （1）对曲线运动有定性认识，具体包括：知道物体速度方向为轨迹的切线方向；通过实验，了解曲线运动，知道物体做曲线运动的条件；知道运动可以合成和分解． （2）建构平抛运动模型，探究其规律，并能解释生活中的现象。具体包括：通过实验，探究并认识平抛运动的规律，会用运动合成与分解的方法分析平抛运动，体会将复杂运动分解为简单运动的物理思想。能分析生产生活中的抛体运动。 （3）建构匀速圆周运动模型，会正确描述圆周运动，分析解释生活中的相关现象。具体包括：会用线速度、角速度、周期描述匀速圆周运动，知道匀速圆周运动向心加速度的大小和方向；会用实验，探究并了解匀速圆周运动中向心力大小与半径、角速度、质量的关系；能用牛顿第二定律分析匀速圆周运动的向心力；了解生产生活中的离心现象及其产生的原因。 5 单元学习过程设计 本单元拓展了学生对运动多样性的认识，深化对位移、速度、加速度等基本概念的理解，丰富并完善学习直线运动时形成的运动与相互作用的知识结构。本单元的学习重在促使学生体会用直线运动的概念、规律和研究问题的思想方法解决新情景——曲线运动问题，是知识、方法的创新迁移环节。 本单元的学习过程分为三个层级：一是对曲线运动的整体认识，包括曲线运动的方向、做曲线运动的条件、运动的合成和分解；二是学习一种典型的匀变速曲线运动模型—平抛运动，包括探究平抛运动的规律，体验用运动合成与分解的思想处理平抛问题、探究平抛的规律，学习用平面直角坐标系描绘平抛运动，体会将复杂运动分解为简单运动的化繁为简的思 想方法；三是学习另一种典型的曲线运动模型——匀速圆周运动，包括描述圆周运动的物理量如线速度、角速度、周期等，探究圆周运动的向心加速度、向心力大小及其关系，牛顿第二定律在圆周运动中的具体表达形式，以及实际提供的向心力与需要的向心力不相等时，运动的具体表现。 这三个层级具有递进关系，第一层级是后面两部分的学习基础，在通过实验形成猜想和假设的基础 上，再通过极限思想从理论上探究曲线运动方向特点的思路，为第三层级探究圆周运动向心力、向心加速度提供思维基础；通过运动合成与分解研究红蜡块的运动，为第二层级探究平抛运动提供了研究思路，丰富了学生对矢量可以合成和分解的认识，是等效替代思想在矢量问题中的具体表现。三个层级的学习都在具体的问题情境中展开，具体设计过程举例见表 2. 表 2 ＂曲线运动＂单元学习过程设计 学习层级 学习设计 具体内容 层级 1 认识曲线运动，学会描述曲线运动，运动的合成与分解 问题情景创设 创设三种运动情境：（1）水平桌面上放置一个坡面轨道，从轨道上释放一个小钢珠，小钢珠离开轨道后在桌面上做直线运动；（2）在垂直原来直线轨迹方向上放置一个磁铁，从原来的高度释放小钢珠，小钢珠离开轨道后，在水平桌面上做曲线运动；（3）观察情境（1）中，小钢珠离开水平桌面后，落向地面的运动 由此情境提出以下问题：（1）曲线运动的条件是什么？（2）如何描述曲线运动？（3）如何定量研究曲线运动？ 知识内容安排 曲线运动、曲线运动的速度方向、物体做曲线运动的条件、曲线运动的描述方法、运动的合成与分解 物理学科核心素养发展规划 通过探究曲线运动的速度方向，发展学生实验与理论相结合的研究思想，提高实验观察、归纳及表述能力，加深对极限思想的理解；通过探究曲线运动条件，提升因果解释的能力，巩固和发展运动与相互作用观；通过引入平面直角坐标系、运动合成与分解来描述曲线运动，加深对矢量运算的认识，体会物理学中＂化繁为简＂的思想 学习方式指导 自主阅读教材与课堂学习相结合。通过自主阅读教材，学习曲线运动的概念、运动速度及条件等结论性知识；通过课堂教学，在教师引导下对结论进行因果解释，促进对曲线运动的深层理解和思维训练 学习难点突破资源 （1）认识曲线运动的方向可以参考教材＂思考与讨论＂，根据现象说说＂微粒＂＂链球＂的运动方向，和教材＂做一做＂，体会曲线运动方向与轨迹曲线的关系 （2）怎样用位置和速度描述曲线运动（运动的合成与分解）的学习，推荐学生观察生活中塔吊的工作过程，或者观看相应的视频资源 学习反馈检测要点及方式 要点 （1）曲线运动方向为轨迹的切线方向的证据及解释 （2）对曲线运动的条件进行因果解释 （3）曲线运动速度的计算方法及解释 方式 （1）课堂教学过程中问答交流 （2）编制相关习题，学生书面作答 学习时间计划 2－3 课时 层级2 理解抛体运动的规律并能分析具体问题，理解平抛运动的研究思路 问题情景创设 ＂射击＂游戏：地面上放置一个玻璃球 A ，水平桌面上放置另一个玻璃球 B ，将玻璃球 B 水平弹出，使之击中地面上的玻璃球 A 由此情境提出问题：（1）玻璃球 B 做什么运动？（2）不改变 A 的位置，改变桌面的高度，怎样使 B 仍能击中 A ？ 知识内容安排 平抛运动概念、探究平抛运动特点的实验、平抛运动的速度、平抛运动的位移与轨迹、一般的抛体运动 续表2 学习层级 学习设计 具体内容 物理学科核心素养发展规划 通过实验探究平抛运动的特点，提升学生实验设计、获取信息、分析归纳等探究能力；通过应用牛顿第二定律、依据合成与分解的思路从理论上解释平抛运动规律，巩固和深化学生的运动与相互作用观念，领会平面直角坐标系、运动合成与分解等研究方法；通过对一般抛体运动的分析，体现从特殊到一般的研究思路 学习方式指导 通过自主阅读教材，掌握平抛运动概念，增加获取平抛运动轨迹的途径如频闪、描迹等，知道平抛运动的水平、坚直分运动特征，知道得出平抛轨迹方程的方法。通过课堂学习讨论，从理论上解释平抛运动的规律，推导出相关公式，了解处理一般曲线运动的基本方法 学习难点突破资源 （1）认识平抛运动的轨迹，推荐学生用矿泉水瓶子做＂显示喷出的水柱的轨迹＂的小实验 （2）探究平抛运动的规律，推荐录制教材中两个＂影子＂描述平抛物体在水平方向、坚直方向上的运动规律的视频慢镜头，录制＂观察两个小球落地先后＂的微视频 （3）在实验室，做描迹法绘制小钢球平抛轨迹的实验 学习反馈检测要点及方式 要点 （1）研究平抛运动的思路及具体方案 （2）研究平抛运动的规律，掌握速度、位移的计算方法 方式 （1）教师布置课前学习任务，学生完成课前学习笔记 （2）通过实验数据分析平抛运动的轨迹，并计算初速度 学习时间计划 3－4 课时 层级3 认识圆周运动，会描述圆周运动。理解物体做圆周运动的条件，知道变速圆周运动和一般曲线运动的分析方法 问题情景创设 用圆锥摆模拟游乐场中空中飞椅的运动，观察以下三种转动：（1）圆雉摆慢速转动；（2）圆雉摆中速转动；（3）圆锥摆快速转动 提出以下问题：（1）小球做什么运动，怎样描述？（2）小球的受力有什么特点？（3）怎样解释转动快慢不同、半径不同的现象？ 知识内容安排 线速度、角速度、周期，线速度与角速度的关系，向心力、向心力的大小、变速圆周运动和一般曲线运动的受力特点、匀速圆周运动的加速度方向、匀速圆周运动的加速度大小 物理学科核心素养发展规划 通过学习圆周运动，认识到运动的多样性、复杂性及运动描述的统一性，丰富学生的运动观；通过圆周运动条件的学习，发展学生的因果解释能力、完善学生的运动与相互作用观念；通过用实验和理论两个角度学习向心加速度过程，发展学生的分析、推理、论证能力，认识科学研究的常用路径——实验与理论相结合 学习方式指导 通过自主阅读与学习，理解线速度、角速度、周期的概念，及线速度与角速度的关系等，通过动手小实验，体会向心力大小与哪些因素有关；通过课堂实验，探究影响向心力大小的因素，通过理论推导，探究向心加速度的计算式；通过交流讨论，理解变速圆周运动和一般曲线运动的分析方法 学习难点突破资源 （1）认识向心力，除了教材中用向心力演示仪做演示实验外，推荐录制用传感器探究向心力与质量、半径、角速度关系的实验视频 （2）认识向心加速度可以参照教材＂拓展学习＂栏目，探究向心加速度大小的表达式，可以录制微课视频，让学生多次观看 学习反馈检测要点及方式 要点 （1）探究向心力大小的演示实验，并能说出探究向心力大小与质量、半径、角速度有关的实例 （2）能确定实际圆周运动中向心力的来源 （3）能从运动与相互作用角度解释，火车弯道为什么外轨道高于内轨道，过拱桥为什么减速等实际问题 方式 （1）实验操作考查，或者教师操作、提问，学生解释、回答问题 （2）通过习题，学生纸笔作答 （3）课堂中小组交流讨论 学习时间计划 4－5 课时 6 主要教学活动设计 基于本单元学习内容的特点，深化对位移、速度、加速度、矢量的合成和分解等基本概念和实验与理论相结合的探究思想的理解，在迁移创新的过程中完成新知建构。学习方式以实验探究、理论探究为主。 6.1 以核心问题引导新知探究，构建知识体系 本单元的核心问题是如何研究曲线运动的规律，通过问题引导学生建立本单元的知识之间、本单元和直线运动的关联，构建以运动与相互作用观为核心的知识体系，如图 2 所示。 图2 曲线运动单元核心问题 引导学生通过类比的方法，尝试用直线运动的概念、规律来描述曲线运动，体会研究曲线运动的思路与研究直线运动思路的一致性，形成研究物理学问题的一般思路一一对于复杂问题，可以通过研究其中有代表性的简单问题入手，探究其规律，再推广到其他复杂情况，即从特殊到一般的方法。 6.2 以核心任务引领探究，掌握曲线运动规律 本单元的核心任务是通过实验和理论探究曲线运动，探究曲线运动速度方向、运动的合成与分解方法、平抛运动的规律、圆周运动的向心力与向心加速度等，如图 3 所示。 图3 曲线运动单元核心任务 设计教学活动时，将具体任务与上述核心问题结合起来，促进学生建立任务与任务之间的联系、任务与原有认知的联系，实现在学习知识的同时完成知识体系的修正与重构。例如，理论分析曲线运动的速度方向时，从速度定义切入，体现极限思想的应用；探究平抛运动的规律时，引导学生结合实验从运动的合成与分解切入，说出分解的依据；探究向心加速度的表达式时，从加速度定义切入，运用极限思想推导；探究向心力大小时，理论和实验相结合，体会牛顿第二定律在曲线运动中的应用． 6.3 以核心思想引导探究，促进迁移创新 核心问题和核心任务是显性内容，是本单元教学的主线和载体．核心思想是隐性内容，是学习过程的暗线。本单元的核心思想有两个：一是运动的合成与分解的等效替代思想；二是研究新问题的一般思路。首先对实际问题进行建模，研究曲线运动的共性特征，如速度方向的特点及力和速度方向的关系；其次研究简单模型的代表，如平抛运动和匀速圆周运动，探究简单模型的规律；最后分析模型和一般曲线运动的差异，建立简单模型与一般曲线运动的关联。 教学过程中，让学生知道每一个学习活动在探究曲线运动进程中的节点位置，在掌握知识的同时也了解学习知识过程中所用的研究方法，形成科学探究的一般思路。 7 单元学习效果评价 本单元的学习评价分为三个角度：第一个角度聚焦于概念、规律本身，如知道曲线运动的方向，知道平抛运动的规律，会计算圆周运动的加速度、向心力等；第二个角度聚焦于概念间的关联整合，如形成知识结构网络，能说出概念间的内在逻辑关系；第三个角度聚焦于认识方式，如认识研究曲线运动的思维路径，形成物理学研究的思想方法。 7.1 对概念规律深层理解的评价 曲线运动中速度方向为轨迹的切线方向，而直线运动中速度方向与轨迹共线，从表面上看，两种运动中速度方向与轨迹关系存在差异，但两种运动中定义速度的方法是相同的，不仅如此，定义加速度的方法也是相同的，也就是说，不同表象背后的规律是相同的。 对速度方向深层理解的评价可以放在课堂教学过程中，以问题的方式，让小组讨论完成。 问题1：根据速度的定义式，结合图4说明曲线运 动的速度方向为该点切线的方向． 图4 曲线运动的速度方向 问题2：从力和运动关系角度说明，当力与速度方向不共线时，物体的速度方向一定发生变化，即做曲线运动． 问题3：根据速度定义式 ，结合图5，说明圆周运动的速度方向与半径垂直． 问题4：根据加速度定义式 ，和牛顿第二定律推导匀速圆周运动中的向心力的表达式为 ． 图5 圆周运动的速度 7.2 对知识结构的评价 学生是否构建了完整的曲线运动知识结构，是否将曲线运动与直线运动进行了关联整合，对运动形式的认识是否丰富和完成，对知识结构是否具有逻辑性等评价，建议通过学生的输出——绘制知识结构图，进行评价。 知识结构的评价建议放在课堂学习之后，在学生绘图之前，建议不要约束学生的思维，让学生自由创作；在完成后，提高交流分享的机会，促进学生相互学习，拓展学生的认识角度。 7.3 对研究曲线运动的思想方法的评价 等效替代是一种重要的物理学思想方法，力的合成分解是等效替代思想的具体表现，运动的合成分解也是等效替代思想的具体表现，用质点来替代研究对象也是一种等效替代的思想。本单元重点学习等效替代思想来处理复杂运动问题．建议在单元学习之后对 学生进行评价。 问题1：坚直上抛运动可以看作哪两个运动的合运动，根据你的分解，写出计算某时刻速度和位移的计算式？ 问题2：有同学说，自由落体运动可以看作水平方向的匀速直线运动和初速度与之相反的平抛运动的合运动，你赞同他的观点吗，理由是什么？ 问题3：与坚直方向成 方向以 斜向上抛出一钢球，忽略空气阻力。关于钢球的运动，有同学认为钢球的运动可以看作 方向的匀速直线运动和坚直方向的自由落体运动的合运动，你赞同他的观点吗，理由是什么？如果该同学的观点正确，应该怎样计算某时刻钢球的速度？ 8 单元教学设计反思 曲线运动单元教学设计围绕曲线运动的速度方向、运动的矢量性（合成和分解）、两种典型的曲线运动（平抛运动和匀速圆周运动）展开，知识主线突出，有利于知识结构化。 学习活动设计围绕核心问题展开，通过探究核心任务，明确学习曲线运动的主线和探究思路，创设探究的大情境，以大问题引导该主题下的具体概念、规律的探究，有利于学生形成研究问题的大思路，促进学生的思维能力发展。 该单元设计注重落实学科核心素养，注重学生主动学习、生成知识的过程，对学生学习能力和教师教学能力要求较高，实际教学过程中应根据学生具体情况灵活变通。 1. 1 学科网（北京）股份有限公司 $$